El desplazamiento del marco ribosómico , también conocido como desplazamiento del marco traduccional o recodificación traduccional , es un fenómeno biológico que ocurre durante la traducción y que da como resultado la producción de múltiples proteínas únicas a partir de un único ARNm . [1] El proceso puede programarse mediante la secuencia de nucleótidos del ARNm y, a veces, se ve afectado por la estructura secundaria tridimensional del ARNm . [2] Se ha descrito principalmente en virus (especialmente retrovirus ), retrotransposones y elementos de inserción bacterianos , y también en algunos genes celulares. [3]
También se ha descubierto que las moléculas pequeñas, las proteínas y los ácidos nucleicos estimulan los niveles de cambio de marco de lectura. En diciembre de 2023, se informó que los ARNm transcritos in vitro (IVT) en respuesta a la vacuna anti-COVID-19 BNT162b2 (Pfizer–BioNTech) causaron un cambio de marco de lectura ribosómico. [ 4]
Las proteínas se traducen mediante la lectura de trinucleótidos en la cadena de ARNm, también conocidos como codones , de un extremo del ARNm al otro (del extremo 5' al 3' ) comenzando con el aminoácido metionina como codón de inicio (iniciación) AUG. Cada codón se traduce en un solo aminoácido . El código en sí se considera degenerado , lo que significa que un aminoácido particular puede especificarse por más de un codón. Sin embargo, un cambio de cualquier número de nucleótidos que no sea divisible por 3 en el marco de lectura hará que los codones posteriores se lean de manera diferente. [5] Esto cambia efectivamente el marco de lectura ribosómico .
En este ejemplo, la siguiente oración de tres letras tiene sentido cuando se lee desde el principio:
|Inicio| EL GATO Y EL HOMBRE SON GORDOS...|Inicio|123 123 123 123 123 123 123 ...
Sin embargo, si el marco de lectura se desplaza una letra entre la T y la H de la primera palabra (efectivamente, un desplazamiento de marco de +1 al considerar que la posición 0 es la posición inicial de T ),
T |Inicio|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...-|Inicio|123 123 123 123 123 123 12...
Entonces la frase se lee diferente y no tiene sentido.
En este ejemplo, la siguiente secuencia es una región del genoma mitocondrial humano con los dos genes superpuestos MT-ATP8 y MT-ATP6 . Cuando se leen desde el principio, estos codones tienen sentido para un ribosoma y se pueden traducir en aminoácidos (AA) según el código mitocondrial de vertebrados :
|Inicio| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...|Inicio|123 123 123 123 123 123 123 ...| AA | NENLFAS ...
Sin embargo, cambiemos el marco de lectura comenzando un nucleótido más abajo (efectivamente, un "desplazamiento de marco de +1" al considerar que la posición 0 es la posición inicial de A ):
A |Inicio|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...-|Inicio|123 123 123 123 123 123 12... | AA | TKICSL ...
Debido a este desplazamiento del marco de lectura +1, la secuencia de ADN se lee de forma diferente. Por lo tanto, el marco de lectura de codones diferente produce aminoácidos diferentes.
En el caso de un ribosoma traductor, un cambio de marco de lectura puede dar como resultado una mutación sin sentido , un codón de terminación prematuro después del cambio de marco de lectura o la creación de una proteína completamente nueva después del cambio de marco de lectura. En el caso en que un cambio de marco de lectura dé como resultado una mutación sin sentido, la vía de desintegración del ARNm mediada por mutaciones sin sentido (NMD) puede destruir la transcripción del ARNm, por lo que el cambio de marco de lectura serviría como un método para regular el nivel de expresión del gen asociado. [6]
Si se produce una proteína nueva o fuera del objetivo, puede desencadenar otras consecuencias desconocidas. [4]
En los virus, este fenómeno puede programarse para que se produzca en sitios específicos y permite que el virus codifique varios tipos de proteínas a partir del mismo ARNm. Entre los ejemplos más notables se incluyen el VIH-1 (virus de inmunodeficiencia humana), [7] el VRS ( virus del sarcoma de Rous ) [8] y el virus de la gripe [9] , que dependen del desplazamiento del marco de lectura para crear una proporción adecuada de proteínas de marco 0 (traducción normal) y de "marco trans" (codificadas por una secuencia desplazada del marco de lectura). Su uso en los virus es principalmente para compactar más información genética en una cantidad más corta de material genético.
En eucariotas parece desempeñar un papel en la regulación de los niveles de expresión genética al generar paradas prematuras y producir transcripciones no funcionales. [3] [10]
El tipo más común de cambio de marco de lectura es el cambio de marco de lectura −1 o cambio de marco de lectura ribosómico programado −1 (−1 PRF) . Otros tipos de cambio de marco de lectura más raros incluyen el cambio de marco de lectura +1 y −2. [2] Se cree que el cambio de marco de lectura −1 y +1 están controlados por mecanismos diferentes, que se analizan a continuación. Ambos mecanismos son impulsados cinéticamente .
En el desplazamiento del marco de lectura -1, el ribosoma retrocede un nucleótido y continúa la traducción en el marco de lectura -1. Normalmente, hay tres elementos que componen una señal de desplazamiento del marco de lectura -1: una secuencia deslizante , una región espaciadora y una estructura secundaria de ARN. La secuencia deslizante se ajusta a un motivo X_XXY_YYH, donde XXX son tres nucleótidos idénticos cualesquiera (aunque se producen algunas excepciones), YYY normalmente representa UUU o AAA, y H es A, C o U. Debido a que la estructura de este motivo contiene 2 repeticiones adyacentes de 3 nucleótidos, se cree que el desplazamiento del marco de lectura -1 se describe mediante un modelo de deslizamiento en tándem, en el que el anticodón del ARNt del sitio P del ribosoma se vuelve a emparejar de XXY a XXX y el anticodón del sitio A se vuelve a emparejar de YYH a YYY simultáneamente. Estos nuevos emparejamientos son idénticos a los emparejamientos del marco de lectura 0, excepto en sus terceras posiciones. Esta diferencia no desfavorece significativamente la unión del anticodón porque el tercer nucleótido en un codón, conocido como la posición de oscilación , tiene una especificidad de unión al anticodón del ARNt más débil que el primer y segundo nucleótido. [2] [11] En este modelo, la estructura del motivo se explica por el hecho de que la primera y segunda posiciones de los anticodones deben poder emparejarse perfectamente en los marcos 0 y −1. Por lo tanto, los nucleótidos 2 y 1 deben ser idénticos, y los nucleótidos 3 y 2 también deben ser idénticos, lo que lleva a una secuencia requerida de 3 nucleótidos idénticos para cada ARNt que se desliza. [12]
La secuencia resbaladiza para una señal de cambio de marco +1 no tiene el mismo motivo, y en cambio parece funcionar pausando el ribosoma en una secuencia que codifica un aminoácido raro. [13] Los ribosomas no traducen proteínas a un ritmo constante, independientemente de la secuencia. Ciertos codones tardan más en traducirse, porque no hay cantidades iguales de ARNt de ese codón en particular en el citosol . [14] Debido a este retraso, existen en pequeñas secciones de codones secuencias que controlan la velocidad del cambio de marco ribosomal. Específicamente, el ribosoma debe hacer una pausa para esperar la llegada de un ARNt raro, y esto aumenta la favorabilidad cinética del ribosoma y su ARNt asociado deslizándose hacia el nuevo marco. [13] [15] En este modelo, el cambio en el marco de lectura es causado por un solo deslizamiento del ARNt en lugar de dos.
El desplazamiento del marco de lectura de los ribosomas puede estar controlado por mecanismos que se encuentran en la secuencia del ARNm (acción en cis). Esto generalmente se refiere a una secuencia resbaladiza, una estructura secundaria del ARN o ambas. Una señal de desplazamiento del marco de lectura -1 consta de ambos elementos separados por una región espaciadora que normalmente tiene entre 5 y 9 nucleótidos de longitud. [2] El desplazamiento del marco de lectura también puede ser inducido por otras moléculas que interactúan con el ribosoma o el ARNm (acción en trans).
Las secuencias resbaladizas pueden hacer que el ribosoma lector se "deslice" y se salte una cantidad de nucleótidos (generalmente solo 1) y lea un marco completamente diferente a partir de entonces. En el cambio de marco ribosomal programado -1, la secuencia resbaladiza se ajusta a un motivo X_XXY_YYH, donde XXX son tres nucleótidos idénticos cualesquiera (aunque ocurren algunas excepciones), YYY generalmente representa UUU o AAA, y H es A, C o U. En el caso del cambio de marco +1, la secuencia resbaladiza contiene codones para los cuales el ARNt correspondiente es más raro, y el cambio de marco se ve favorecido porque el codón en el nuevo marco tiene un ARNt asociado más común. [13] Un ejemplo de una secuencia resbaladiza es el poliA en el ARNm, que se sabe que induce el deslizamiento del ribosoma incluso en ausencia de otros elementos. [16]
El desplazamiento eficiente del marco de lectura de los ribosomas generalmente requiere la presencia de una estructura secundaria de ARN para mejorar los efectos de la secuencia deslizante. [12] Se cree que la estructura del ARN (que puede ser un bucle de tallo o un pseudonudo ) detiene al ribosoma en el sitio deslizante durante la traducción, lo que lo obliga a reubicarse y continuar la replicación desde la posición -1. Se cree que esto ocurre porque la estructura bloquea físicamente el movimiento del ribosoma al quedarse atascada en el túnel de ARNm del ribosoma. [2] Este modelo está respaldado por el hecho de que la fuerza del pseudonudo se ha correlacionado positivamente con el nivel de desplazamiento del marco de lectura del ARNm asociado. [3] [17]
A continuación se muestran ejemplos de estructuras secundarias predichas para elementos de cambio de marco que se ha demostrado que estimulan el cambio de marco en una variedad de organismos. La mayoría de las estructuras mostradas son bucles de tallo, con la excepción de la estructura de pseudonudo ALIL (bucle apical-bucle interno). En estas imágenes, los círculos más grandes e incompletos de ARNm representan regiones lineales. Las estructuras secundarias de "bucle de tallo", donde los "tallos" están formados por una región de apareamiento de bases de ARNm con otra región en la misma cadena, se muestran sobresaliendo del ADN lineal. La región lineal de la señal de cambio de marco ribosómico del VIH contiene una secuencia deslizante UUU UUU A altamente conservada; muchas de las otras estructuras predichas también contienen candidatos para secuencias deslizantes.
Las secuencias de ARNm en las imágenes se pueden leer de acuerdo con un conjunto de pautas. Si bien A, T, C y G representan un nucleótido particular en una posición, también hay letras que representan ambigüedad y que se utilizan cuando podría aparecer más de un tipo de nucleótido en esa posición. Las reglas de la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada ( IUPAC ) son las siguientes: [18]
Estos símbolos también son válidos para el ARN, excepto que U (uracilo) reemplaza a T (timina). [18]
Se ha descubierto que las moléculas pequeñas, las proteínas y los ácidos nucleicos estimulan los niveles de cambio de marco. Por ejemplo, el mecanismo de un bucle de retroalimentación negativa en la vía de síntesis de poliaminas se basa en que los niveles de poliaminas estimulan un aumento de los cambios de marco +1, lo que da como resultado la producción de una enzima inhibidora . También se ha demostrado que ciertas proteínas que son necesarias para el reconocimiento de codones o que se unen directamente a la secuencia de ARNm modulan los niveles de cambio de marco. Las moléculas de microARN (miARN) pueden hibridarse con una estructura secundaria de ARN y afectar su resistencia. [6]